CN105586777B

CN105586777B - 一种低接触角碳纤维用乳液上浆剂及其制备和应用

Info

Publication number: CN105586777B
Application number: CN201410569362.2A
Authority: CN
Inventors: 季春晓; 黄翔宇; 刘瑞超; 王平; 张捷; 吴嵩义; 黄猛; 田晓婧; 常丽; 周新露
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Shanghai Petrochemical Co Ltd
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Shanghai Petrochemical Co Ltd
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2018-11-20
Anticipated expiration: 2034-10-22
Also published as: CN105586777A

Abstract

本发明公开了一种低接触角碳纤维用乳液上浆剂，包括主剂与去离子水，主剂与去离子水质量比为(35:65)～(50:50)，所述的主剂由以下组成：

Description

一种低接触角碳纤维用乳液上浆剂及其制备和应用

技术领域

本发明属于碳纤维化工领域，具体涉及一种低接触角碳纤维用乳液上浆剂及其制备和应用。

背景技术

随着航空航天及武器装备领域性能要求的不断提高，高性能碳纤维以其高比强度、高比模量、耐高温等优异特性，提供了结构复合材料所需的轻质高强、耐腐蚀、耐久性等核心性能。在碳纤维复合材料的成型过程中，上浆后碳纤维的各项性能指标对所制备复合材料的性能及其稳定性有重要影响，进而决定了复合材料的可应用范围。

碳纤维与基体树脂的接触角决定了制备复合材料的难易程度和界面结合能力的强弱。碳纤维与基体树脂的接触角越小，制备复合材料时基体树脂浸润速度越快，使制备工艺更简便、快捷、经济且具有选择性；同时碳纤维吸附树脂能力更好，两相界面间的结合强度更高。一种具有优良应用性能的上浆碳纤维，基体树脂在其表面能够迅速良好的浸润和铺展，同时能够与基体树脂有产生牢固的粘结效果，具有较高的层间剪切强度。专利CN102206919A、CN102828416A分别公开了以环氧树脂为主成分，辅之以表面活性剂、各种其他添加助剂(石墨烯、无机铵盐)等组成的碳纤维用乳液型上浆剂，所制备的乳液上浆剂可以改善上浆后碳纤维的集束性、扩幅性等工艺性能，但其中添加的多种助剂不利于上浆碳纤维和复合材料基体树脂的匹配性和相容性。

发明内容

针对上述的问题，本发明提供一种由芳香族聚酯多元醇、双酚A环氧树脂和非离子表面活性剂等作为主成分的碳纤维用乳液上浆剂，以及相应的制备、使用方法。所述的碳纤维用乳液上浆剂可改善上浆后碳纤维与基体树脂的接触角，其制备和使用过程无任何有机溶剂。

具体而言，本发明提供了一种碳纤维用乳液上浆剂，包括主剂与去离子水，主剂与去离子水质量比为(35:65)～(50:50)，所述的主剂由以下组成：

优选，所述的芳香族聚酯多元醇，可以用式(I)表示：

其中，R₁₄选自下列的一种或多种：含有1～12个碳原子的二价饱和或不饱和的脂肪族基团、含有6～10个碳原子的二价芳香族基团；R₁₅选自下列的一种或多种：含有2～12个碳原子的二价饱和或不饱和的脂肪族基团、含有6～10个碳原子的二价芳香族基团，且R₁₄和R₁₅不能同时为脂肪族基团。所述的芳香族聚酯多元醇可以为饱和/不饱和脂肪族二元酸或其衍生物，芳香族二元酸或其衍生物与饱和/不饱和脂肪族二元醇或其衍生物，芳香族二元醇或其衍生物制得。本发明对芳香族聚酯多元醇的制备方法没有特别的限制。

更优选，所述芳香族聚酯多元醇，选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸乙二醇酯、聚间苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯、聚邻苯二甲酸丙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚邻苯二甲酸丁二醇酯。最优选，所述芳香族聚酯多元醇，选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯。

更优选，所述的芳香族聚酯多元醇，可以为上述聚酯多元醇的一种或几种的混合物。

优选，所述芳香族聚酯多元醇的聚合度n范围为1～25，更优选为4～12。

优选，所述聚酯多元醇的酸值，小于等于5mg KOH/g。

优选，所述双酚A环氧树脂分子量范围为250～3500，更优选300～1500。

优选，所述双酚A环氧树脂为EPON 820、EPON 828、EPON 834、EPON 1001、EPON1002、EPON 1004(美国壳牌)中一种或多种。优选，所述双酚A环氧树脂为EPON 834、EPON1001、EPON 1002中一种或多种。

优选，所述非离子表面活性剂，选自脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基苯酚聚氧乙烯醚、聚氧化乙烯脂肪酸氨基醚。更优选，所述非离子表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，其疏水性脂肪醇部分为C11～C18的碳链，聚氧乙烯基的聚合度为15～25。

优选，所述的抗氧化剂为2,6-二叔丁基对甲酚。

优选，所述的流平剂为聚醚改性聚硅氧烷BNK-LK380。

优选，所述去离子水的pH值为6.0～8.0，电阻为大于1兆欧姆；更优选，去离子水的pH值为6.5～7.5，电阻为大于10兆欧姆。

需要强调的是，本发明的双酚A环氧树脂、非离子表面活性剂、流平剂中涉及一些公司的具体型号的产品，但是并不表示本发明中的组分限定于这些具体型号的产品，与上述特定型号产品性能相当的其他厂商的产品也在本发明的保护范围内。

本发明还提供的一种低接触角碳纤维用乳液上浆剂的制备方法，包括：

(1)将芳香族聚酯多元醇、双酚A环氧树脂、抗氧化剂加入反应容器中，在70～130℃下搅拌至组分完全分散，配置预混液；

(2)将非离子表面活性剂、流平剂加入上述预混液中，搅拌10～50min，逐渐降低体系温度至50～90℃；

(3)向上述混合物中逐步滴加去离子水并持续搅拌，制得碳纤维用乳液上浆剂。

优选，步骤(1)中混合温度控制在80～120℃。

优选，步骤(1)中预混液搅拌时间为10～100min，更优选为30～50min。

优选，步骤(2)中混合搅拌时间为15～30min。

本发明中对步骤(3)滴加去离子水的具体方式和搅拌时间没有特别的限制，可采用持续滴加、分段滴加、间隔滴加等方式。

步骤(3)得到的上浆剂乳液固含量为35～50wt％，乳液平均粒径为100～350nm，pH值为6.0～8.0。

很明显，在本发明所提供的制备方法中，所述搅拌速度、搅拌温度和搅拌时间仅对上浆剂制备时间有影响，对所制备的上浆剂性能无影响。

本发明还提供了一种低接触角碳纤维用乳液上浆剂的使用方法，包括：

(a)制备稀释液：将上述上浆剂加入到去离子水中，边加边搅拌，直至乳液分散均匀无气泡产生；

(b)碳纤维上浆：在张力作用下，将未上浆的碳纤维束通过装有上述稀释液的浸渍槽，上浆后的碳纤维束烘干后卷绕在滚筒上。

优选，步骤(a)中所述上浆剂稀释液中主剂的浓度为0.5～3.5wt％。

优选，步骤(b)中所述未上浆碳纤维束由T300～T1000级3K～12K未上浆碳纤维组成。

优选，步骤(b)中所述未上浆碳纤维束在浸渍槽中浸渍时间为10～50s，更优选为15～30s。

优选，步骤(b)中上浆后的碳纤维束烘干方式为热风烘干，温度为100～170℃，更优选120～160℃；干燥时间1～5分钟，更优选1.5～3分钟。

优选，步骤(b)中所述未上浆碳纤维束的张力为100～1000cN，更优选200～500cN。

优选，步骤(b)中碳纤维上浆量控制在0.2～5.0wt％。

优选，步骤(b)中所制得的上浆碳纤维与基体树脂表面接触角＜20°。

很显然，本发明只是提供了所述的碳纤维用乳液上浆剂的使用方法中的一种，其中主剂浓度、浸渍时间、烘干温度及时间、纤维张力等工艺参数对所制备的上浆碳纤维性能无影响。

有益效果

1.经本上浆剂上浆后的碳纤维与基体树脂的接触角小，可提高基体树脂浸润速度和吸附能力，所制备复合材料界面结合强度高。

2.经本上浆剂上浆后的碳纤维集束性、分捻性等工艺性能优异，软硬适中，易于退绕，可满足纤维后续加工要求。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明进行具体说明，将有助于对本发明的理解，但并不限制本发明的内容。

以下实施例中的原材料，如没有特别说明，均为市售。

上浆碳纤维的性能指标测试方法：

1、上浆碳纤维与基体树脂的接触角

采用德国DataPhysics公司DCAT21型动态接触角与表面张力仪测试得到，基体树脂选用环氧树脂EPON 828。

2、上浆碳纤维层间剪切强度(ILSS)

选用环氧AG80树脂，制样和测试参照《GB 3357-1982单向纤维增强塑料层间剪切强度试验方法》测试得到。

3、上浆碳纤维的回潮率

采用烘干称重法测试得到，常压烘干，烘干温度110℃。

4、上浆碳纤维集束性

采用手感目测法进行评级，指标分级为●-很好；○-良好；△-不良；×-较差。

一、上浆剂制备

取芳香族聚酯多元醇组分(由中国科学院上海有机化学研究所合成，简称上海有机所)、双酚A环氧树脂(由美国壳牌公司生产)、抗氧化剂2,6-二叔丁基对甲酚(由国药集团生产)加入到500ml四口烧瓶中，在110℃温度下搅拌40min至组分完全分散。然后加入非离子表面活性剂(由江苏海安石化厂生产)、流平剂聚醚改性聚硅氧烷BNK-LK380(由美国BNK公司生产)，搅拌20min后，逐渐降低温度。待烧瓶内温度降至75℃时，开始向烧瓶中滴加去离子水并持续搅拌。滴水总量达到一定质量时，停止反应，制得碳纤维用乳液上浆剂。

上述制备过程中所用各原料组分见表1，各原料组分的用量见表2。

表1 原料组分表

表2 原料组分用量表

二、上浆剂应用

取上述制得的乳液上浆剂，缓慢加入到去离子水中，边加边搅拌直至无气泡产生，制得主剂含量为2wt％的上浆剂稀释液。将500g上述上浆剂稀释液加入上浆槽中，使T800级6K碳纤维在保持300cN张力下通过上浆槽进行浸渍，控制通过速度使浸渍时间为30s。然后通过热风干燥炉，在140℃高温下烘干2min，随后收卷在塑料滚筒上。

所制备上浆碳纤维性能评价结果见表3。

表3 上浆碳纤维性能测试结果

虽然本发明已将较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此发明的保护范围应以申请专利的权利要求范围为准。

Claims

1.一种低接触角碳纤维用乳液上浆剂，其特征在于，包括主剂与去离子水，主剂与去离子水质量比为(35:65)～(50:50)，所述的主剂由以下组成：

所述的芳香族聚酯多元醇的聚合度n范围为1～25。

2.根据权利要求1所述的低接触角碳纤维用乳液上浆剂，其特征在于，所述的芳香族聚酯多元醇，可以用式(I)表示：

其中，R₁₄选自下列的一种或多种：含有1～12个碳原子的二价饱和或不饱和的脂肪族基团、含有6～10个碳原子的二价芳香族基团；R₁₅选自下列的一种或多种：含有2～12个碳原子的二价饱和或不饱和的脂肪族基团、含有6～10个碳原子的二价芳香族基团，且R₁₄和R₁₅不能同时为脂肪族基团。

3.根据权利要求2所述的低接触角碳纤维用乳液上浆剂，其特征在于，所述的芳香族聚酯多元醇，为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸乙二醇酯、聚间苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯、聚邻苯二甲酸丙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚邻苯二甲酸丁二醇酯中一种或多种。

4.根据权利要求1-3任一项所述的低接触角碳纤维用乳液上浆剂，其特征在于，所述的芳香族聚酯多元醇的酸值，小于等于5mg KOH/g。

5.根据权利要求1所述的低接触角碳纤维用乳液上浆剂，其特征在于，所述双酚A环氧树脂分子量范围为250～3500。

6.根据权利要求5所述的低接触角碳纤维用乳液上浆剂，其特征在于，所述双酚A环氧树脂为EPON 820、EPON 828、EPON 834、EPON 1001、EPON 1002、EPON 1004中一种或多种。

7.根据权利要求1所述的低接触角碳纤维用乳液上浆剂，其特征在于，所述非离子表面活性剂选自脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基苯酚聚氧乙烯醚、聚氧化乙烯脂肪酸氨基醚。

8.根据权利要求1所述的低接触角碳纤维用乳液上浆剂，其特征在于，所述非离子表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，其疏水性脂肪醇部分为C11～C18的碳链，聚氧乙烯基的聚合度为15～25。

9.根据权利要求1所述的低接触角碳纤维用乳液上浆剂，其特征在于，所述的抗氧化剂为2,6-二叔丁基对甲酚。

10.根据权利要求1所述的低接触角碳纤维用乳液上浆剂，其特征在于，所述的流平剂为聚醚改性聚硅氧烷BNK-LK380。

11.根据权利要求1所述的低接触角碳纤维用乳液上浆剂，其特征在于，所述去离子水的pH值为6.0～8.0，电阻为大于1兆欧姆。

12.一种制备权利要求1-11任一项所述的低接触角碳纤维用乳液上浆剂方法，包括：

13.根据权利要求12所述的制备上浆剂方法，其特征在于，步骤(1)中预混液搅拌时间为10～100min。

14.根据权利要求12所述的制备上浆剂方法，其特征在于，步骤(3)得到的上浆剂乳液固含量为35～50wt％，乳液平均粒径为100～350nm，pH值为6.0～8.0。

15.一种权利要求1-11任一项所述的低接触角碳纤维用乳液上浆剂的使用方法，包括：

16.根据权利要求15所述的上浆剂使用方法，其特征在于，步骤(a)中所述上浆剂稀释液的浓度为0.5～3.5wt％。

17.根据权利要求15所述的上浆剂使用方法，其特征在于，步骤(b)中所述未上浆碳纤维束由T300～T1000级3K～12K未上浆碳纤维组成。

18.根据权利要求15所述的上浆剂使用方法，其特征在于，步骤(b)中所述未上浆碳纤维束在浸渍槽中浸渍时间为10～50s。

19.根据权利要求16所述的上浆剂使用方法，其特征在于，步骤(b)中上浆后的碳纤维束烘干方式为热风烘干，温度为100～170℃；干燥时间1～5分钟。

20.根据权利要求16所述的上浆剂使用方法，其特征在于，步骤(b)中作用于未上浆碳纤维束的张力为100～1000cN。

21.根据权利要求16所述的上浆剂使用方法，其特征在于，步骤(b)中碳纤维上浆量控制在0.2～5.0wt％。

22.根据权利要求15所述的上浆剂使用方法，其特征在于，步骤(b)中所制得的上浆碳纤维与基体树脂表面接触角<20°。